Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (PET)

Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (PET)

Εισαγωγή Ισότοπα χαρακτηρίζονται τα άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου που έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων στον πυρήνα τους Ισότοπα υδρογόνου Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται στον πυρήνα είναι δύο ειδών: Ηλεκτρικές: απωθούν τα πρωτόνια Πυρηνικές: έλκουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μεταξύ τους Ισότοπα άνθρακα Είναι όλοι οι πυρήνες των ισοτόπων σταθεροί καθώς ο χρόνος περνάει;

Εισαγωγή Ραδιενέργεια είναι η εκπομπή ακτινοβολίας ως αποτέλεσμα της αυθόρμητης μετάπτωσης ασταθών πυρήνων σε σταθερότερη ενεργειακή κατάσταση Ακτινοβολία α,β,γ http://chanteloupe-chem.blogspot.com/2010/05/chemstd-11d.html https://geoinfo.nmt.edu/resources/uranium/what.html

Ραδιενεργές διασπάσεις Nόμος ραδιενεργών διασπάσεων (Decay law): Ο αριθμός των διασπώμενων πυρήνων dn σε χρονικό διάστημα dt είναι ανάλογος με τον αριθμό των πυρήνων Ν κατα τη στιγμή που έγινε η παρατήρηση για Δt 0 dn = λ Ν dt N(αρχικό) = αρχικοί πυρήνες σε χρόνο 0 Ν(τελικό) = αρχικοί πυρήνες σε χρόνο Δt ΔN = Ν(τελικό)-Ν(αρχικό) : πυρήνες που διασπάστηκαν σε χρόνο Δt (μείον) λ: Σταθερά διάσπασης Ο χρόνος ημίσειας ζωής (half-life) (t 1/2 ) ενός ραδιενεργού πυρήνα είναι το χρονικό διάστημα που απαιτείται ώστε να διασπαστεί ο μισός αριθμός των αρχικών πυρήνων (Ν 0 ) N = N 0 /2 N 0 /2 =N 0 exp(-λt 1/2 ) t 1/2 = ln(2)/λ 0.693/λ

Είδη ραδιενέργειας Παράδειγμα διάσπασης βήτα σε ραδιοισότοπα άνθρακα or Positron https://www.mirion.com/introduction-to-radiation-safety/types-ofionizing-radiation/ Συνοψίζοντας... α-διάσπαση: εκπομπή σωματίων α (πυρήνες Ηλίου) β-διάσπαση: παραγωγή και εκπομπή ενός ηλεκτρονίου (e-) ή ποζιτρονίου (e+) γ-διάσπαση: εκπομπή φωτονίου ~ΜeV https://emilms.fema.gov/is3/fema_is/is03/rem0202100.htm

Φυσικές αρχές τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίου (PET) Χορηγείται στον ασθενή ένα ραδιοισότοπο το οποίο συγκεντρώνεται επιλεκτικά στην περιοχή ενδιαφέροντος Οι πυρήνες υπόκεινται σε σταδιακή β-διάσπαση εκπέμποντας ποζιτρόνια (e+) Κάθε ποζιτρόνιο χάνει την κινητική του ενέργεια σε κάποια απόσταση από το σημείο εκπομπής Τα ποζιτρόνιο τότε αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρόνιο με αποτέλεσμα την εξαΰλωσή τους Το φαινόμενο έχει ως τελικό αποτέλεσμα την ταυτόχρονη δημιουργία δύο ακτίνων γ με ενέργειες 511 ΚeV το καθένα που κινούνται σε αντιδιαμετρικές κατευθύνσεις Οι ακτίνες γ διαπερνούν τον ιστό του σώματος και ανιχνεύονται Διόρθωση ανίχνευσης λόγω εξασθένισης της ακτινοβολίας ανάλογα με το πάχος του ιστού που διαπέρασε Μάζα ηρεμίας (e+): 9.1 10-31 kg Ταχύτητα φωτός: 3 10 8 m/sec Ενέργεια = 81.9 10-15 Joules 1 ev = 1.6 10-19 Joules Ενέργεια(eV) 511 kev

Τυπικά ραδιοισότοπα για PET Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των ραδιοισοτόπων για PET είναι: Διασπώνται εκπέμποντας ποζιτρόνια Έχουν μικρό χρόνο ημίσειας ζωής Σημαίνουν μόρια που σχετίζονται με μεταβολικές διαδικασίες, νευροδιαβιβαστές, αντισώματα κτλ. Μικρή συγκέντρωση ραδιοσοτόπου (sub-nmol) έναντι agents σε CT (mmol) Ευθεία ποσοτικοποίηση της λειτουργίας που συνδέεται με τη συγκέντρωση του ραδιοισοτόπου Μέτρια ανάλυση της τάξης των 5 mm για κλινικά συστήματα PET Μικρή αλλά όχι αμελητέα δόση ιοντίζουσας ακτινοβολίας Ραδιοισότοπο Χρόνος ημίσειας ζωής Εφαρμογές Carbon-11 20,3 min Μελέτη μεταβολικών διαδικασιών Fluorine-18 109,7 min Μελέτη κατανάλωσης γλυκόζης / Απεικόνιση νευροϋποδοχέων Gallium-68 68 min Βαθμονόμηση Iodine-122 3,76 min Μελέτη αιματικής ροής Iron-52 8,2 h Απεικόνιση μυελού των οστών Nitrogen-13 9,9 min Μελέτη έκχυσης μυοκαρδίου Oxygen-15 123 sec Μελέτη αιματικής ροής Rubidium-82 1,2 min Μελέτη έκχυσης μυοκαρδίου

Ανίχνευση ακτινοβολίας στο PET Σπινθηριστής Πώς ανιχνεύουμε ακτίνες γ με τόσο υψηλή ενέργεια; Αλληλεπίδραση ακτίνων γ με τον κρύσταλλο του σπινθηριστή (π.χ. NaI, BGO) μέσω φωτοηλεκτρικού φαινομένου, φαινομένου Compton, δίδυμης γένεσης Παραγωγή φωτός λόγω των παραπάνω φαινομένων το οποίο είναι ανάλογο της ενέργειας των ακτίνων γ Ανίχνευση του φωτός μέσω φωτοπολλαπλασιαστή / Photo Multiplier Tube (PMT) Πιθανότητα εκπομπής αρχικού φωτοηλεκτρονίου στον PMT~15-25% για κάθε προσπίπτον φωτόνιο Τα ηλεκτρόνια γίνονται ~3Χ σε κάθε δύνοδο Παράγοντας ενίσχυσης 3 10-3 12 https://en.wikipedia.org/wiki/x-ray

Ανίχνευση ακτινοβολίας στο PET Σπινθηριστής Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των κρυστάλλων σπινθηριστών είναι : Υψηλή πυκνότητα μάζας (ρ) και μεγάλο ατομικό αριθμό Ζ για να μεγιστοποιηθεί η απορρόφηση των ακτίνων γ Εκπομπή φωτός υψηλής έντασης ώστε να ληφθεί μεγάλο σήμα από τον PMT Υψηλή ταχύτητα εκπομπής παλμού φωτός για βέλτιστη χρονική ανάλυση Μέθοδοι συνδυασμού σπινθηριστών-pmts Μεμονωμένη σύζευξη: Ένας προς ένα συνδυασμός κρυστάλλων σπινθηρισμού με PMTs Ανιχνευτική διάταξη: Πολλοί PMTs συνδέονται με διάταξη κρυστάλλων σπινθηρισμού και ένα σχήμα κωδικοποίησης προσδιορίζει τον ενεργοποιημένο σπινθηριστή α) Ψηφιακή κωδικοποίηση: PMT on/off β) Αναλογική κωδικοποίηση: Λόγος σημάτων PMTs

Σύμπτωση ανίχνευσης γεγονότος εξαΰλωσης Το σύστημα θα δώσει τελικό σήμα ανίχνευσης γεονότος εξαΰλωσης μόνο όταν δύο αντιδιαμετρικοί ανιχνευτές ενεργοποιηθούν εντός ενός δοσμένου χρονικού παραθύρου ~10 ns Περιπτώσεις σύμπτωσης ανίχνευσης γεγονότος εξαΰλωσης στο PET Αληθής σύμπτωση Τυχαία σύμπτωση Σύμπτωση λόγω σκέδασης Ψευδής σύμπτωση

Χωρική ανάλυση στο PET Η δέσμη ακτινοβολίας από μια σημειακή πηγή «ανοίγει» σε συνάρτηση με την απόσταση από τους ανιχνευτές Ωστόσο, στο PET η χωρική ανάλυση δεν εξαρτάται από τη σχετική θέση πηγής-ανιχνευτή λόγω της σύμπτωσης γεγονότων εξαΰλωσης Ιδανικά, η χωρική ανάλυση θα εξαρτιόταν μόνο από το πλάτος του κάθε ανιχνευτικού στοιχείου (εγγενής ανάλυση) d d Στην πράξη, η χωρική ανάλυση περιορίζεται από τρεις παράγοντες: α) το εύρος διαδρομής ποζιτρονίου β) τη μη συγγραμικότητα ακτίνων γ γ) το σφάλμα παράλλαξης Η εγγενής ανάλυση λόγω πλάτους d του κάθε επιμέρους ανιχνευτή στο PET κυμαίνεται μεταξύ d/2 (περιοχή ανάμεσα σε 2 ανιχνευτές) και d (περιοχή ενός ανιχνευτή)

Εύρος διαδρομής ποζιτρονίου Τα ποζιτρόνια εκπέμπονται σε ένα εύρος κινητικών ενεργειών Τα ποζιτρόνια ταξιδεύουν μια πεπερασμένη απόσταση πριν εξαϋλωθούν με αποτέλεσμα το «θόλωμα» των εικόνων PET Η μέγιστη απόσταση Re διανύεται από τα πιο ενεργητικά ποζιτρόνια και κυμαίνεται από 2-20 mm Η ενεργός απόσταση Rrms αποτελεί το «μέσο όρο» των αποστάσεων που διανύονται από τα ποζιτρόνια και είναι της τάξης των 0.1-0.5 mm FWHM = Full Width at Half Maximum

Μη συγγραμικότητα ακτίνων γ Η αντιδιαμετρική εκπομπή των ακτίνων γ έπειτα από εξαΰλωση ποζιτρονίου ηλεκτρονίου συμβαίνει μόνο όταν τα δύο σωματίδια έχουν μηδενικές ταχύτητες (αρχή διατήρησης ορμής) Τα ποζιτρόνια τυπικά διατηρούν μία ελάχιστη ορμή και κινητική ενέργεια στο τέλος της διαδρομής τους πριν το γεγονός εξαΰλωσης Το γεγονός αυτό οδηγεί σε εκπομπή ακτίνων γ που δεν είναι απόλυτα αντιδιαμετρικές μεταξύ τους, με τυπική γωνιακή απόκλιση ~0.25 μοίρες Η χειροτέρευση της ανάλυσης (FWHM) λόγω μη συγγραμικότητας ακτίνων γ κυμαίνεται άνάλογα με τη διάμετρο της διάταξης των ανιχνευτών Για 90 cm διάμετρο, FWHM ~2 mm, ενώ για 30 cm διάμετρο, FWHM~0.3 mm

Σφάλμα παράλλαξης Το σφάλμα παράλλαξης σχετίζεται με το βάθος (x) των στοιχείων του ανιχνευτή Τα βάθη αλληλεπίδρασης των ακτίνων γ με το το κάθε στοιχείο του ανιχνευτή είναι τυχαία Το φαινόμενο πλάτος του ανιχνευτή αυξάνεται από d σε d όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο περιστροφής (γκρι περιοχή) Το σφάλμα παράλλαξης είναι πιο έντονο σε συσκευές PET με μικρή διάμετρο διάταξης ανιχνευτών (D) και μεγάλα βάθη ανιχνευτών (x) Η χωρική ανάλυση των συστημάτων PΕΤ προκύπτει από το συνδυασμό όλων των προηγούμενων παραγόντων και είναι της τάξης των 1-2 mm (προκλινικά) και 5 mm (κλινικά)

Ανακατασκευή εικόνας στο PET Για την ανακατασκευή μιας τομογραφικής εικόνας στο PET χρησιμοποιούμε τυπικά μια τροποποιημένη έκδοση του αλγορίθμου Filtered Back-projection παρόμοια με το X-Ray CT Οι ακτίνες για το Filtered Back-projection είναι πλέον οι γραμμές απόκρισης (LOR)

Απεικόνιση της νόσου Alzheimer Το β-αμυλοειδές είναι ένα κολλώδες πεπτίδιο, που συσσωρεύεται σε πλάκες και φαίνεται να καταστρέφει τα εγκεφαλικά κύτταρα των ασθενών Το ραδιοισότοπο PIB συνδέεται με τις παθολογικές πλάκες που ειναι χαρακτηριστικές της νόσου Alzheimer Το ραδιοισότοπο FDG δείχνει τον τοπικό μεταβολισμό της γλυκόζης στον εγκέφαλο ποσοτικά (mol/min/100 g) Στον ασθενή, ο μεταβολισμός γλυκόζης είναι σε υψηλά επίπεδα στο μετωπιαίο λοβό, και σε πολύ χαμηλά στον κροταφικό και βρεγματικό λοβό Klunk et al, Ann. Neurol., 2004 Standard uptake value SUV = C(T)/[Ενέσιμη δόση (MBq)/Μάζα ασθενούς (kg)] C(T): Συγκέντρωση σε χρόνο Τ

Απεικόνιση μυοκαρδιακής αιμάτωσης Bengel, F.M., Integrated assessment of myocardial perfusion and coronary anatomy by PET- CT, 2009 Συνδυασμός X-ray CT στεφανιαίας αγγειογραφίας (αριστερά) με απεικόνιση PET (δεξιά) που δείχνει την αιμάτωση του μυοκαρδίου Η στένωση των στεφανιαίων αρτηριών (δεξιά) διακρίνεται με κίτρινο χρώμα Η απεικόνιση PET δείχνει την ισχαιμική περιοχή του μυοκαρδίου που αιματώνεται από τη δεξιά στεφανιαία αρτηρία

Συνδυασμένη απεικόνιση PET/CT στην ογκολογία Mη μικροκυτταρικός καρκίνος του πνεύμονα [ 18 F]FDG CT Nair et al, Plos One, 2013 http://www.aboutcancer.com/pet_pancreas_coronal_sund.jpg Καρκίνος οισοφάγου με πολλαπλές μεταστάσεις http://www.aboutcancer.com/throat_anatomy_pet.htm http://www.aboutcancer.com/pet_esophagus.htm

Ποια ερωτήματα πρέπει να μπορούμε να απαντάμε; Τι είναι ραδιενέργεια, πώς προκύπτει και ποιες είναι οι τρεις μορφές της; Πως προκύπτει το σήμα σε μια διάταξη PET; Ποια είναι τα τυπικά ραδιοισότοπα που χρησιμοποιούνται στο PET και τι χαρακτηριστικά έχουν; Πώς γίνεται η ανίχνευση της εκπομπής ποζιτρονίου από έναν ραδιενεργό πυρήνα; Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η χωρική ανάλυση της τεχνικής; Πώς γίνεται η ανακατασκευή της εικόνας στο PET; Ποιες είναι οι τυπικές εφαρμογές του PET; https://www.cancer.gov/news-events/cancercurrents-blog/2017/total-body-pet